突破奈奎斯特频率限制的数字全息声场成像技术及其在宽视场高分辨率声学可视化中的应用

研究人员针对传统数字全息声场成像技术受限于奈奎斯特采样定理、无法同时实现高时间分辨率与大视场的问题，提出了一种基于波长信息的计算重建方法。该技术通过空间波长反演声波频率，实现了在低帧率(7,200 fps)条件下对16,500 Hz高频声场的精确重建，时间分辨率提升20倍，视场扩大8倍。这项发表于《Optics and Lasers in Engineering》的研究为超声诊断、无损检测等领域提供了更经济的宽频声场可视化方案。

　　

声波可视化技术在现代声学研究和医疗诊断中具有重要价值，但传统测量方法面临两难困境：传声器阵列会干扰声场，而光学方法中，纹影技术只能定性测量，激光多普勒测振仪(LDV)又受限于逐点扫描。数字全息技术虽能实现非接触、全场测量，却因图像传感器帧率限制，难以满足奈奎斯特采样定理对高频声波的捕获要求。以16,500 Hz声波为例，传统方法需要至少33,000 fps的采集速度，这不仅大幅增加成本，还因高速成像的带宽限制导致视场急剧缩小。

Nao Sakiyama团队在《Optics and Lasers in Engineering》发表的这项研究，创新性地将空间波长信息与时间采样相结合。通过建立声致折射率变化模型（公式1-5），利用离轴数字全息技术记录声场相位分布（公式6-10），再通过空间波长反演真实频率（公式11），最终实现超越奈奎斯特频率限制的声场重建。关键技术包括：1）基于Michelson干涉仪的双通相位增强系统；2）短曝光(1.05 μs)全息记录；3）空间波长测量与频率解算算法；4）频域零插值重建技术。

研究结果显示，在7,200 fps采样条件下，16,500 Hz声波会混叠为2,100 Hz成分（图4）。通过空间分布分析测得波长为2.07 cm（图5），结合声速计算出真实频率为16,429.28 Hz（误差0.43%），成功识别出m=2的混叠阶次（图6）。重建后的声场图像时间分辨率达27.8 μs（36,000 fps等效），相比原始数据提升5倍（图7）。在2,000 fps更低采样率（图8）和多频声场（10,000/13,500/16,500 Hz，图9）实验中，该方法同样表现出色。与传统高速成像（36,000 fps）相比，在保持时间精度的同时，视场扩大8倍（256×128 vs 512×512像素，图10）。

这项研究的突破性在于：首次实现利用空间波长信息突破时间采样限制的全息声场成像，通过计算重建而非硬件升级来解决"高帧率与小视场"的矛盾。该方法不仅将可测声频上限提升至采样频率的20倍，还显著降低了系统成本，为超声治疗监控、材料无损检测等应用提供了新可能。未来通过采用共路干涉仪设计，可进一步提升系统抗干扰能力，拓展至脉冲声波等更复杂声场的测量。